Crédito:Nano Letras (2023). DOI:10.1021/acs.nanolett.3c01710 Uma equipe que incluiu pesquisadores do Laboratório Nacional de Oak Ridge, do Departamento de Energia, usou uma nova reviravolta em um método antigo para detectar materiais em algumas das menores quantidades já registradas.
Os resultados poderão levar a melhorias na tecnologia de segurança e auxiliar no desenvolvimento de sensores quânticos.
O estudo, publicado em Nano Letters , empregou o efeito Seebeck, um fenômeno termoelétrico descoberto há dois séculos, para identificar as assinaturas de calor e luz de moléculas medidas pelo attograma – um quintilionésimo de grama, ou 10
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vezes mais leve que uma nota de dólar. A quantidade mais pesada pesava cerca de 52 atogramas e a mais leve cerca de 40 atogramas.
“É essencialmente a primeira vez que alguém relata a detecção do sinal espectroscópico nesses níveis para aquele pequeno material em condições normais”, disse Ali Passian, cientista pesquisador do ORNL e coautor do estudo.
"A técnica em si não é nova. Mas explorar a física da detecção e fazer a pergunta certa é a chave. Esta descoberta pode abrir caminho para a implantação generalizada de sensores baratos, confiáveis e precisos para uma ampla variedade de usos."
Passian colaborou no estudo com os colegas cientistas Yaoli Zhao, Patatri Chakraborty e Thomas Thundat, todos da Universidade de Buffalo.
O efeito Seebeck, batizado em homenagem ao físico alemão Thomas Seebeck, descreve a voltagem que resulta de uma diferença de temperatura em um circuito composto por dois condutores elétricos diferentes, como dois fios feitos de metais diferentes, quando expostos ao calor.
A equipe de pesquisa contou com uma sonda microcantilever de silicone, semelhante a uma versão microscópica da agulha de um toca-discos antigo, que aproveitou o efeito Seebeck criando tal circuito e usando luz infravermelha de um laser para estimular as moléculas dos materiais. em estudo e criar calor.
Ao colocar a sonda em contato com quantidades minúsculas do material, a equipe trabalhou retroativamente a partir dos sinais espectroscópicos e das mudanças na diferença de temperatura para identificar e calcular com precisão as quantidades do material presente:trinitrotolueno, mais conhecido como explosivo TNT, e dimetilmetilfosfonato. , um composto usado em retardadores de chama e armas químicas.
“É um sistema muito simples que funciona surpreendentemente bem”, disse Passian. "A sonda tem uma ponta afiada que aproximamos da superfície e depois direcionamos a luz infravermelha sobre ela. Geramos apenas uma pequena quantidade de calor e esta sonda foi capaz de lê-lo. Ficamos muito entusiasmados ao descobrir que poderíamos detectar tão pouco material de forma tão confiável e não invasiva."
A sonda foi usada para imagens em nível nanoescala – cerca de nove ordens de magnitude maior que um atograma – mas Passian e a equipe foram os primeiros a usar a abordagem para espectroscopia em escala tão pequena.
“Pense em uma moeda pequena”, disse Passian. "Agora reduza essa moeda cerca de um milhão de vezes. Isso é comparável ao tamanho da sonda. Usamos a sonda de uma nova maneira - para medir calor e luz em vez de capturar uma imagem - e ela provou ser ainda mais útil do que esperávamos. Tenho certeza de que podemos ampliar ainda mais os limites de detecção."
A sensibilidade e o custo relativamente baixo da sonda – milhares de unidades poderiam ser fabricadas por algumas centenas de dólares – abrem possibilidades para uma ampla gama de aplicações.
“Todo mundo quer sensores que sejam baratos, pequenos, rápidos e fáceis – mas também altamente precisos”, disse Passian. "Este sistema atende a todos esses critérios. Por ser tão pequeno, não requer muitos maquinários volumosos, e poderíamos colocar centenas ou milhares dessas sondas em uma única superfície. Isso torna o sistema ideal para espaços compactos, como postos de controle de segurança em aeroportos ou aplicações subterrâneas, como mineração."
A equipe planeja testar a sonda para detectar quantidades ainda menores. Os resultados poderiam apoiar a construção de sensores quânticos, que utilizariam as leis da física quântica para detectar ao nível dos átomos individuais.
“Em algum momento, a quantidade de material será pequena demais até mesmo para este sensor”, disse Passian. "Então o próximo passo serão as medições quânticas. Esperamos que esta técnica possa ajudar-nos a chegar lá."
